动动脑，设计重力小实验

张军

寻找物体的重心

物体的各个组成部分都受到重力，我们可以把这些重力的作用点看作集中在一点，这个点就叫“重心”。形状规则、密度均匀的物体，重心就在它的几何中心，比如矩形的重心在两条对角线的交点上，三角形的重心在三条中线的交点上，圆形的重心在圆心上。重心也可以不在物体上，比如圆环的重心，比如篮球的重心。

寻找物体重心的方法有很多。

对于棒一类的条状物，可以用手指挪移法。双手食指伸直放平，托起棒的两端，然后将两根食指慢慢靠近。最终两根食指会相遇，棒的重心就在相遇点的正上方（图1）。假定两根食指与棒的接触点分别是A、B，对棒的支持力分别是FA、FB，棒的重心在O点，重力为G。把棒看成支点为B的杠杆，则FA·BA=G·BO，FA=（BO/BA）G；把棒看成支点为A的杠杆，则FB=（AO/BA）G。所以，当OA＞OB时，FB＞FA，棒与支撑B点的食指间压力大，故摩擦力也大，支撑B点的食指会保持静止，而支撑A点的食指向O点靠近。同理，当OA＜OB时，支撑A点的食指保持静止，而支撑B点的食指向O点靠近。因此，你会看到两个食指在交替移动。

对于有平坦表面的物体，可以用桌面推移法。将物体从水平桌面边缘慢慢推离桌面，当物体恰好要掉下时，它的重心就在桌面边缘线的正上方。将物体旋转一个角度，重复上面步骤，物体的重心同樣在桌面边缘线的正上方。理论上就可以知道重心所在的竖直线了（图2）。

对于薄板状的物体，也可以采用悬线法。在物体边缘固定棉线的线头，提起另一端将物体悬吊起来保持不动，重心一定在棉线所在的直线a上。换个悬挂点，再次悬吊物体保持静止，重心一定在棉线所在的直线b上。直线a、b的交点，就是物体的重心（图3）。

对于轻质的物体，还可以采用单点支撑法。仔细调节支撑点位置，让物体在竖直的竹签顶端保持静止，重心就位于支撑点的正上方。平衡鸟玩具就是利用了这个原理。可以自己设计一些小玩具，比如用纸剪个蝴蝶，让其悬停在竹签顶端。当气流有微小的变化，纸蝴蝶就会动起来（图4）。也可以用卡纸剪贴一只平衡鸟，用粘贴轻小物体的方法来微调重心，直到重心

在鸟嘴正下方。支撑住鸟嘴，就可以让鸟保持平衡了（图5）。

什么是竖直向下

水静止时，水面所在的平面就称为“水平面”，和它平行的平面也叫“水平面”。与水平方向垂直的就是竖直方向。把塑料管弯成U形，装上水，当水面静止时，U形管两侧的水面必定相平（图6）。用这个方法，可以寻找墙壁上在同一水平面上的两个点。以前室内装修工人在找水平时，经常采用这样的办法，如果地板到这两个点的距离不等，则说明地板不水平。

用铅垂线可以将“竖直向下”具象化。用棉线在横杆下悬挂几个螺母，静止时悬线所在的方向就是竖直方向；将横杆倾斜一个角度，并不会影响悬线的方向（图7）。如果将线剪断，螺母将沿竖直方向下落。生活中，人们常用铅垂线检查墙壁、画的边框是否竖直。

物体的重心越低，就越稳定。用外力让物体的重心升高，撤去外力后，物体又会回到重心最低的状态，这就是不倒翁的工作原理。身边常见的鸡蛋、乒乓球、纸杯、卡纸等，都可以用来制作类似不倒翁的玩具。比如，在纸杯的内壁用热熔胶粘牢一个玻璃球，然后剪个熊猫的卡通图案蒙住杯口。将纸杯横放在水平桌面上，玻璃球会处于最低位置。将纸杯推离平衡位置，纸杯会自动滚回来，你就看到了一只摇晃的“熊猫”（图8）。

向上滚的圆筒与翻跟斗的胶囊

斜面上放置的纸筒通常会往下滚，我们也能让它往上滚一小段距离。在圆筒内壁固定重物，在坡度不大的斜面上，先转动圆筒，让重心位置抬高。松开手后，圆筒重心下移，会导致纸筒向上滚（图9）。

在空心胶囊里装上小钢珠，然后将小钢珠放在一个倾斜放置的槽中，调整适当倾角，可以看到胶囊一路翻着跟斗跑下去。槽的表面要粗糙一些（可以用砂纸或瓦楞纸），斜面如果光滑，胶囊就直接从坡上滑下去了。为了便于看清楚，在胶囊外面可以粘上不同颜色的纸环（图10）。

当然，能设计的小实验还有很多，比如制作水平仪、制作重力小车、设计重力错觉实验，等等。大家动动脑筋，看看还有哪些创意。